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Analysis of phenolic compounds by dint of GDH-biosensors and immunoassays

  • The development of fast and reliable biochemical tools for on-site screening in environmental analysis was the main target of the present work. Due to various hazardous effects such as endocrine disruption and toxicity phenolic compounds are key analytes in environmental analysis and thus were chosen as model analytes. Three different methods were developed: For the enzymatic detection of phenols in environmental samples an enzyme-based biosensor was developed. In contrast to reported work using tyrosinase or peroxidases, we developed a biosensor based on glucose dehydrogenase as biorecognition element. This biosensor was devoted for an application in a laboratory flow system as well as in a portable device for on-site measurements. This enzymatic detection is applicable only for a limited number of phenols due to substrate specificity of the enzyme. For other relevant compounds based on a phenolic structure (i.e. nitrophenol, alkylphenols and alkylphenol ethoxylates) immunological methods had to be developed. The electrochemicalThe development of fast and reliable biochemical tools for on-site screening in environmental analysis was the main target of the present work. Due to various hazardous effects such as endocrine disruption and toxicity phenolic compounds are key analytes in environmental analysis and thus were chosen as model analytes. Three different methods were developed: For the enzymatic detection of phenols in environmental samples an enzyme-based biosensor was developed. In contrast to reported work using tyrosinase or peroxidases, we developed a biosensor based on glucose dehydrogenase as biorecognition element. This biosensor was devoted for an application in a laboratory flow system as well as in a portable device for on-site measurements. This enzymatic detection is applicable only for a limited number of phenols due to substrate specificity of the enzyme. For other relevant compounds based on a phenolic structure (i.e. nitrophenol, alkylphenols and alkylphenol ethoxylates) immunological methods had to be developed. The electrochemical GDH-biosensor was used as the label detector in these immunoassays. Two heterogeneous immunoassays were developed where ßGal was used as the label. An electrochemical method for the determination of the marker enzyme activity was processed. The separation step was realized with protein A/G columns (laboratory flow system) or by direct immobilization of the antibodies in small disposable capillaries (on-site analysis). All methods were targeted on the contemporary analysis of small numbers of samples.show moreshow less
  • In den letzten Jahren gerieten phenolische Substanzen, wie z.B. Chlor-, Nitrophenol oder Alkylphenolethoxylate aufgrund ihrer Toxizität sowie ihres kanzerogenen und endokrinen Potentials in das Interesse der Öffentlichkeit. Diese Substanzen gelangen in großen Mengen, z.B. aus industriellen Prozessen (Papier-, Kunststoff-, oder Lederindustrie) oder als Abbauprodukte von Pflanzenschutzmitteln in die Umwelt. Ziel dieser Arbeit war es, einfache biochemische Bestimmungsmethoden für verschiedene phenolische Umweltschadstoffe auf Basis biochemischer Erkennungselemente zu entwickeln. Diese sollten als Screeningmethoden in der Vor-Ort-Analytik einsetzbar sein. Die Anwendung sollte kostengünstig und einfach durchzuführen sein, so dass die Messung kein hochwissenschaftliches Personal erfordert. Daher stand im Hintergrund der Arbeit die Integration der Analysenmethode in ein kompaktes Handgerät. Zu diesem Zweck wurde ein Biosensor entwickelt der zur direkten Messung und in Kombination mit einem Immunoassay einsetzbar ist: 1.) ElektrochemischerIn den letzten Jahren gerieten phenolische Substanzen, wie z.B. Chlor-, Nitrophenol oder Alkylphenolethoxylate aufgrund ihrer Toxizität sowie ihres kanzerogenen und endokrinen Potentials in das Interesse der Öffentlichkeit. Diese Substanzen gelangen in großen Mengen, z.B. aus industriellen Prozessen (Papier-, Kunststoff-, oder Lederindustrie) oder als Abbauprodukte von Pflanzenschutzmitteln in die Umwelt. Ziel dieser Arbeit war es, einfache biochemische Bestimmungsmethoden für verschiedene phenolische Umweltschadstoffe auf Basis biochemischer Erkennungselemente zu entwickeln. Diese sollten als Screeningmethoden in der Vor-Ort-Analytik einsetzbar sein. Die Anwendung sollte kostengünstig und einfach durchzuführen sein, so dass die Messung kein hochwissenschaftliches Personal erfordert. Daher stand im Hintergrund der Arbeit die Integration der Analysenmethode in ein kompaktes Handgerät. Zu diesem Zweck wurde ein Biosensor entwickelt der zur direkten Messung und in Kombination mit einem Immunoassay einsetzbar ist: 1.) Elektrochemischer Biosensor Ein elektrochemischer Biosensor stellt die Verbindung zwischen einer Elektrode und der biologischen Komponente dar. Als Messprinzip wurde die Amperometrie gewählt. Hierbei wird die Präsenz des nachzuweisenden Stoffes durch die angelegte Spannung am Sensor visualisiert, da beim Vorhandensein ein Stromfluss gemessen wird. Um die Signalintensität zu erhöhen können Enzyme als Katalysatoren genutzt werden, die in der Lage sind die Rückreaktion der Elektrodenreaktion zu realisieren. In diesem Fall wurde Glucose-Dehydrogenase (GDH) verwendet, die oxidierte phenolische Verbindungen reduzieren kann. Zusammen mit der Oxidation an der Sensoroberfläche bildet sich ein Verstärkungszyklus aus, der das ursprüngliche Signal vielfach erhöht. Wir waren in der Lage, GDH durch Einbetten in ein Polymerennetzwerk auf der Oberfläche einer gedruckten Platin-Dickschicht-Elektrode zu immobilisieren. Als Resultat erhielten wir einen sehr empfindlichen und äußerst stabilen Biosensor. Seine schnelle Ansprechzeit ermöglicht den Einsatz in automatisierten Fließsystemen zur Messung großer Probenzahlen. Der Einsatz in einem manuell betriebenen Handgerät konnte ebenfalls realisiert werden und brachte nur geringe Beeinträchtigungen in bezug auf die Empfindlichkeit der Messung. Die erfolgreiche Implementierung des Biosensors in das Handgerät wurde in Rahmen eines internationalen Workshops in Barcelona, anhand der Überprüfung der Reinigungsleistung von Klärwerken, gezeigt. 2.) Kombination mit Immunoassays Der Einsatzbereich der GDH-Biosensoren lässt sich durch die Kombination mit anderen Techniken erweitern, wobei der Sensor zur Visualisierung der Nachweisreaktion dient. In diesem Fall kann der Sensor zur Bestimmung der Enzymaktivität von ß?Galactosidase (ßGal) verwendet werden. Der Nachweis geringster Enzymmengen wurde realisiert. Die ßGal wird zur Markierung eines Analytanalogen in Immunoassays verwendet, um die Bindung von Antikörper und Analytmolekül sichtbar zu machen. Im Immunoassay bildet sich ein Gleichgewicht zwischen Antikörper, unmarkiertem Analyt und markiertem Analytanalog (Tracer) aus. Über die Bestimmung der Enzymaktivität kann man die Analytkonzentration in der Probe errechnen. Wir haben unseren GDH-Biosensor erfolgreich mit zwei Techniken kombiniert. Zum Einen mit einem Assay zur Bestimmung von Nitrophenol, der in einem automatisiertem Fließsystem realisiert wurde. Hier wird die Mischung aus Antikörpern, Analyt und Tracer über eine Säule gegeben und gespült. Die gebundenen Bestandteile werden durch den GDH-Biosensor quantifiziert. Zum Anderen wurde ein Kapillarimmunoassay entwickelt, der in das Handgerät integriert werden kann. Dabei wird der Antikörper direkt an der Kapillare fixiert. Die Probe wird mit Tracer vermischt und in die Kapillare gegeben. Dort bildet sich das Gleichgewicht aus und weitere Probenbestandteile werden im Spülschritt eliminiert. Die Analytkonzentration wird durch die Bestimmung des gebunden Tracers (Aktivität der ßGal) mit Hilfe des GDH-Biosensors realisiert.show moreshow less

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Metadaten
Author:Andreas Rose
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0001048
Advisor:J. Emneus, P.-D. Hansen, Frieder W. Scheller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2003
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2003/12/12
Release Date:2005/02/10
Tag:Immunoassay; GDH-biosensor; Phenolische Substanzen; Vor-Ort-Analytik; FIA; ß-Galactosidase; Abwasseranalytik
immunoassay; GDH-biosensor; phenolic compounds; on-site-analysis; FIA;ß-galactosidase; wastewater analysis
RVK - Regensburg Classification:WC 3420
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie